Bilim.techО проекте

Растяжение и закон Гука

Сколько выдержит стальной трос и насколько он вытянется? Напряжение, деформация, диаграмма растяжения стали и запас прочности.

01 Что это такое

Растянутый стержень удлиняется пропорционально нагрузке, пока напряжение не дойдет до предела пропорциональности. Дальше металл течет и уже не возвращается к прежней длине.

Толстый трос и тонкая проволока под одной и той же силой нагружены по-разному. Поэтому силу делят на площадь сечения и получают напряжение σ = F / A: сколько ньютонов приходится на каждый квадратный миллиметр. Удлинение тоже делят на длину: относительная деформация ε = Δl / l не зависит от размеров стержня.

На упругом участке σ = E · ε: это закон Гука для материала, как F = k · x для пружины из темы 4.2. Сталь растянуть трудно (E около 200 ГПа), алюминий втрое легче (70 ГПа), резину в десятки тысяч раз легче. Стержень при этом еще и худеет: поперечная деформация примерно в 3,3 раза меньше продольной (коэффициент Пуассона ν = 0,3).

без нагрузкиldпод силой FFlΔlклетки длиннее и ужеIIIIIIIVσεσтσвε остE = σ / ε
Слева: под силой клетки сетки вытягиваются вдоль и сужаются поперек. Справа диаграмма растяжения стали: I упругий участок, II площадка текучести σт, III упрочнение до предела прочности σв, IV шейка и разрыв. Разгрузка из зоны III идет параллельно прямой I, и остается удлинение ε ост.
σ
Напряжение, МПа (Н/мм²). Сила на каждый квадратный миллиметр сечения: σ = F / A. Его сравнивают с пределом текучести материала, у Ст3 около 240 МПа.
ε
Относительная деформация, безразмерная или в %. На какую долю стержень стал длиннее: ε = Δl / l. Стальная тяга под рабочей нагрузкой удлиняется на сотые доли процента.
E
Модуль упругости, ГПа. Насколько материал сопротивляется растяжению на упругом участке: σ = E · ε. Сталь около 200 ГПа, медь 110, алюминий 70, резина несколько МПа.
02 Опыт
Нагружай. Тяни до разрыва. Разгружай. РАЗРЫВНАЯ МАШИНА РИСУЕТ ДИАГРАММУ
СОПРОМАТ

Сколько выдержит стальной стержень и насколько он вытянется?

Рис. 5.2
ГОТОВЫЕ СЛУЧАИ

Напряжение, σ
Деформация, ε
Запас прочности, n

ⓘ Диаграммы условные: напряжение считается на начальную площадь, как на настоящей разрывной машине. Свойства материалов типовые и примерные, у конкретной плавки они отличаются на 10 - 20 %. Канат показан как сплошной стержень с той же площадью проволок; его модуль 110 ГПа меньше, чем у проволоки, потому что пряди при натяжении уплотняются. Удлинение на рисунке сильно увеличено, отдельно для упругой и пластической части (числа над рисунком настоящие). В режиме «Рабочая нагрузка» сила задана, и после предела прочности стержень сразу рвется; в режиме «Испытание» машина задает удлинение, поэтому видны площадка текучести и шейка.

03 Формулы по буквам

Напряжение, закон Гука и запас прочности

Все три карточки берут числа из опыта. Выбери готовый случай или двигай ползунки, и подстановка пересчитается.

Насколько нагружен материал?

σ = F / A

Напряжение равно силе, деленной на площадь сечения. Ньютон на квадратный миллиметр это мегапаскаль: 1 Н/мм² = 1 МПа. Удвой диаметр, и площадь вырастет вчетверо, а напряжение вчетверо упадет.

σ
нормальное напряжение, МПа
F
растягивающая сила, Н. Вес груза на тросе, усилие затяжки болта
A
площадь поперечного сечения, мм². Для круга A = π d² / 4

На сколько вытянется стержень?

σ = E · ε
Δl = F · l / (E · A)

На упругом участке напряжение пропорционально деформации, коэффициент E это модуль упругости. Удлинение растет с силой и длиной и падает с модулем и площадью. Длинный канат шахтного подъема вытягивается на десятки сантиметров.

E
модуль упругости, МПа: сталь 200 000, медь 110 000, алюминий 70 000
ε
относительная деформация ε = Δl / l, безразмерная
l, Δl
начальная длина и удлинение, мм

Хватит ли прочности с запасом?

n = σт / σ
[σ] = σт / n

Запас прочности показывает, во сколько раз напряжение меньше опасного. Для пластичной стали опасно начало текучести σт, для хрупкого чугуна и для канатов разрыв σв. Допускаемое напряжение [σ] заранее делят на нужный запас.

σт
предел текучести, МПа (у сплавов без площадки σ0,2)
n
запас: для стальных конструкций 1,5, для канатов подъемников по правилам не меньше 5 - 6
[σ]
допускаемое напряжение, МПа: больше него рабочее σ быть не должно

Откуда берется Δl = F · l / (E · A)

Начни с опыта: на упругом участке диаграммы точки ложатся на прямую через ноль. Значит, напряжение пропорционально деформации, σ = E · ε. Коэффициент E это наклон прямой; он зависит только от материала, а не от размеров образца, потому что и σ, и ε уже отнесены к размерам.

Теперь подставь определения. Напряжение σ = F / A, деформация ε = Δl / l. Получается F / A = E · Δl / l. Вырази удлинение: Δl = F · l / (E · A). Длинный стержень удлиняется больше, потому что каждый его миллиметр тянется одинаково, а миллиметров больше.

Перепиши ту же формулу как F = (E · A / l) · Δl. Это закон Гука для пружины из темы 4.2, F = k · x, а жесткость стержня k = E · A / l. Формула работает, пока σ не больше предела пропорциональности. Дальше прямая кончается, и удлинение считают по диаграмме растяжения.

AFlΔlσ = F / A, ε = Δl / lσεΔεΔσσ = E · εE = Δσ / Δε
Сверху стержень до нагрузки (пунктир) и под силой F. Снизу упругий участок диаграммы: его наклон и есть модуль упругости E.
04 Где и зачем это применяют

От каната экскаватора до бетонной арматуры

Допущения модели+

Стержень круглый, сила приложена строго по оси, напряжение одинаково по сечению. Изгиба, концентраторов напряжений (резьбы, отверстий, сварных швов) и усталости нет: при переменной нагрузке деталь разрушается при напряжениях заметно ниже σв. Напряжение считается на начальную площадь; истинное напряжение в шейке больше. Диаграммы построены по типовым свойствам: Ст3 σт 240, σв 400 МПа; сталь 45 σт 360, σв 610; Д16Т σ0,2 290, σв 440; медь М1 отожженная σ0,2 70, σв 220; канатная проволока σв 1770; серый чугун СЧ20 σв 200 МПа при растяжении; резина с начальным модулем 3 МПа. Разгрузка с пластического участка идет по прямой с модулем E, без петли гистерезиса; резина разгружается по той же кривой. Температура комнатная, скорость нагружения малая. Числа в готовых случаях примерные: площадь проволок каната 20 мм около 154 мм² (как у прутка 14 мм), площадь резьбы болта М24 около 353 мм² (как у прутка 21 мм). Нормы запаса упрощены: настоящие правила для подъемников, болтов и конструкций задают его по своим методикам. Изгиб балки разобран в теме 5.1 «Балка и прочность».

Еще в направлении «Механика»

Все темы направления «Механика» →